膠團(tuán)和反膠團(tuán)萃取

1、膠團(tuán)和反膠團(tuán)萃取 姓名：秦洪姓名：秦洪 學(xué)號：學(xué)號：1300507068 2021/6/252 一、一、基本概念基本概念 二、原理二、原理 三、影響因素三、影響因素 四、應(yīng)用四、應(yīng)用 五、反膠團(tuán)萃取設(shè)備五、反膠團(tuán)萃取設(shè)備 膠團(tuán)萃取膠團(tuán)萃取是被萃取物以膠團(tuán)或者膠體形式從水相被萃取到有是被萃取物以膠團(tuán)或者膠體形式從水相被萃取到有 機(jī)相的溶劑萃取方法。它既可用于無機(jī)物的萃取，也可用于有機(jī)物的機(jī)相的溶劑萃取方法。它既可用于無機(jī)物的萃取，也可用于有機(jī)物的 萃取。萃取。 在無機(jī)物的方面：金屬或其無機(jī)鹽可以形成疏水膠體粒子在無機(jī)物的方面：金屬或其無機(jī)鹽可以形成疏水膠體粒子粒子進(jìn)入有粒子進(jìn)入有 機(jī)相。機(jī)相。

2、被萃取物主要限于金、銀、硫酸鋇等，被萃取物主要限于金、銀、硫酸鋇等， 溶劑主要限于氯仿、四氯化碳和乙醚等。溶劑主要限于氯仿、四氯化碳和乙醚等。 一.基本概念 膠團(tuán)膠團(tuán) 膠團(tuán)是雙親（即親水又親油）物 質(zhì)在水或有機(jī)溶劑中自發(fā)形成的聚集體。 膠團(tuán)的形成膠團(tuán)的形成當(dāng)向水溶液中加入表面 活性劑達(dá)到一定濃度時就會形成表面 活性劑聚集體，即膠團(tuán)。 表面活性劑表面活性劑是由親水憎油的極性基團(tuán)和親油是由親水憎油的極性基團(tuán)和親油 憎水的非極性基團(tuán)兩部分組成的兩性分子。憎水的非極性基團(tuán)兩部分組成的兩性分子。 表面活性劑的分類表面活性劑的分類： 陰離子表面活性劑；陽離子表面活性劑；陰離子表面活性劑；陽離子表面活性劑；

3、 非離子型表面活性劑。非離子型表面活性劑。 表面活性劑在溶液中開始形成膠團(tuán)時的濃度稱為表面活性劑在溶液中開始形成膠團(tuán)時的濃度稱為 臨界膠束濃度，簡稱臨界膠束濃度，簡稱CMCCMC。當(dāng)溶液中表面活性劑濃。當(dāng)溶液中表面活性劑濃 度低于度低于CMCCMC時，它主要以單體形式，即分子或離子時，它主要以單體形式，即分子或離子 形式存在。形式存在。表面活性劑形成膠團(tuán)后，溶液的許多表面活性劑形成膠團(tuán)后，溶液的許多 物理化學(xué)質(zhì)，如表面張力、摩爾電導(dǎo)率、滲透壓物理化學(xué)質(zhì)，如表面張力、摩爾電導(dǎo)率、滲透壓 、密度、增溶性能等，在一個很窄的濃度范圍內(nèi)、密度、增溶性能等，在一個很窄的濃度范圍內(nèi) 呈現(xiàn)不連續(xù)變化呈現(xiàn)不連續(xù)

4、變化。 膠團(tuán)分為正（向）膠團(tuán)和反（ 向）膠團(tuán)。 正膠團(tuán)是在極性溶液中形成的， 其親水性的極性端向外指向極 性（如水）溶液，疏水性的非 極性“尾”向內(nèi)相互聚集在一 起。 水 極性頭 非極性的核 非極性尾 反膠團(tuán)是兩性表面活性 劑在非極性有機(jī)溶劑中 親水性基團(tuán)自發(fā)的向內(nèi) 聚集而成，內(nèi)含微小水 滴，其疏水性的非極性 尾部向外，指向非極性 溶劑，而極性頭向內(nèi)， 與在水相中形成的微膠 團(tuán)方向相反。 非極性有機(jī)溶劑極性 “頭” 極性的 “核” 非極性“尾” 反膠團(tuán)的構(gòu)造 向非極性溶劑中加入表面活性劑時，當(dāng)表面活 性劑的濃度超過一定的數(shù)值時，會在非極性溶劑 內(nèi)形成表面活性劑的聚集體。與在水相中不同的 是，非

5、極性溶劑內(nèi)形成的表面活性劑聚集體，其 疏水性的非極性尾部向外，指向非極性溶劑，而 極性頭向內(nèi)，與在水相中形成的微膠團(tuán)方向相反 ，因而稱之為反膠團(tuán)或反向膠團(tuán)。 反膠團(tuán)的微小界面和微小水相具有兩個特異性功能：反膠團(tuán)的微小界面和微小水相具有兩個特異性功能： (1)(1)具有分子識別并允許選擇性透過的半透膜的功能；具有分子識別并允許選擇性透過的半透膜的功能； (2)(2)在疏水性環(huán)境中具有使親水性大分子如蛋白質(zhì)等在疏水性環(huán)境中具有使親水性大分子如蛋白質(zhì)等 保持活性。保持活性。 在反膠團(tuán)萃取蛋白質(zhì)使用最多的是陰離子型表面活性在反膠團(tuán)萃取蛋白質(zhì)使用最多的是陰離子型表面活性 劑劑AOTAOT ，AOTAOT

6、容易獲得，它具有雙鏈，形成反膠團(tuán)時無需添容易獲得，它具有雙鏈，形成反膠團(tuán)時無需添 加輔助表面活性劑且有較好的強(qiáng)度；它的極性基團(tuán)較小，加輔助表面活性劑且有較好的強(qiáng)度；它的極性基團(tuán)較小， 所形成的反膠團(tuán)空間較大，有利于生物大分子進(jìn)入。所形成的反膠團(tuán)空間較大，有利于生物大分子進(jìn)入。 反膠團(tuán)的分類 1、單一表面活性劑反膠團(tuán)體系： 是指在使用時無須加入助劑的表面活性劑，具有多條中等長度的烷 基尾和一個較小的極性頭。 A、 陰離子型，如AOT。該體系結(jié)構(gòu)簡單和穩(wěn)定，反膠團(tuán)體積較大 ，適用于等電點較高的、相對分子量較小的蛋白質(zhì)的分離； B、陽離子型，如CTAB，DAP等。該體系適用于等電點較低的、相對 分子

7、量較大的蛋白質(zhì)的分離； C、非離子型表面活性劑，能形成更大的反膠團(tuán)體系，能分離相對 分子量更大的蛋白質(zhì)，但這類體系容易乳化。 2、混合表面活性劑反膠團(tuán)體系： 是指兩種或兩種以上表面活性劑構(gòu)成的體系，一般來 說，混合表面活性劑反膠團(tuán)對蛋白質(zhì)有更高的分離效率。 3、親和反膠團(tuán)體系： 是指除了有組成反膠團(tuán)的表面活性劑以外，還有具有 親和特征的助劑，它的親和配基與蛋白質(zhì)有特異的結(jié)合能 力，往往極少量親和配基的加入就可使萃取蛋白質(zhì)的選擇 性大大提高。 反膠團(tuán)含水率W ： W用水和表面活性劑的摩爾濃度之比來定義，即： 如表面活性劑是AOT，則 W越大，反膠團(tuán)的半徑越大 表面活性劑 水 C C W AOT

8、C C W 水 當(dāng)W 16時，“水池”中的水逐漸接近主體水相粘 度，膠團(tuán)內(nèi)也形成二重電荷層。 見下圖。 假定反膠團(tuán)為球形（除了W或表面活性劑濃度很 大外），反膠團(tuán)平均直徑dm的增加和W的增加基本成 正比，W=050之間，dm=230nm。 AOT的Wmax=60，若W值再增大，反膠團(tuán)溶液變渾 濁，并開始分層。 二、反膠團(tuán)的制備二、反膠團(tuán)的制備 制備反膠團(tuán)系統(tǒng)一般有以下三種方法：制備反膠團(tuán)系統(tǒng)一般有以下三種方法： （1 1）注入法）注入法 將含有蛋白質(zhì)的水溶液直接注入到含有表面活性劑的將含有蛋白質(zhì)的水溶液直接注入到含有表面活性劑的 非極性有機(jī)溶劑中去，然后進(jìn)行攪拌直到形成透明的溶液非極性有機(jī)溶劑

9、中去，然后進(jìn)行攪拌直到形成透明的溶液 為止。為止。 該方法過程快，并能較好地控制反膠團(tuán)的平均直徑和該方法過程快，并能較好地控制反膠團(tuán)的平均直徑和 含水量。含水量。 （2）相轉(zhuǎn)移法 將酶或蛋白質(zhì)從主體水相轉(zhuǎn)移到含表面活性劑的非極 性有機(jī)溶劑中形成反膠團(tuán)-蛋白質(zhì)溶液，即把含有表面活 性劑的有機(jī)相和含有蛋白質(zhì)的水相接觸，在緩慢的攪拌下 ，一部分蛋白質(zhì)緩慢轉(zhuǎn)入（萃入）有機(jī)相。 該過程較慢，但形成的體系處于穩(wěn)定的熱力學(xué)平衡狀 態(tài)，有利于在有機(jī)溶劑相中獲得較高的蛋白質(zhì)濃度。 （3）溶解法 將含有反膠團(tuán)（W330）的有機(jī)溶液與蛋白質(zhì)固體 粉末一齊攪拌，使蛋白質(zhì)進(jìn)入反膠團(tuán)中 。 用于非水溶性蛋白質(zhì)。 該法所需

10、時間較長，含蛋白質(zhì)的反膠團(tuán)體系穩(wěn)定。 說明反膠團(tuán)“水池”中的水與普通水的性質(zhì)有區(qū)別。 從宏觀上看反膠團(tuán)萃取，是有機(jī)相水相間的分配萃取，和 普通的液液萃取在操作上具有相同特征。 微觀上，是從主體水相向溶解于有機(jī)溶劑相中的反膠 團(tuán)微水相中的分配萃取。 從原理上，可當(dāng)做“液膜”分離操作的一種。 如下圖所示 ： 二、反膠團(tuán)萃取原理二、反膠團(tuán)萃取原理 由于周圍水層和極性基團(tuán)的保護(hù)，保持了蛋白由于周圍水層和極性基團(tuán)的保護(hù)，保持了蛋白 質(zhì)的天然構(gòu)型，不會造成失活。質(zhì)的天然構(gòu)型，不會造成失活。 蛋白質(zhì)進(jìn)入反膠團(tuán)溶液是一協(xié)同過程。在有機(jī)溶 劑相和水相兩宏觀相界面間的表面活性劑層 ,同 鄰近的蛋白質(zhì)分子發(fā)生靜電吸

11、引而變形 ,接著兩 界面形成含有蛋白質(zhì)的反膠團(tuán) ,然后擴(kuò)散到有機(jī) 相中 ,從而實現(xiàn)了蛋白質(zhì)的萃取。(可能機(jī)理） 改變水相條件 (如pH值、離子種類或離子強(qiáng)度 ) , 又可使蛋白質(zhì)從有機(jī)相中返回到水相中 ,實現(xiàn)反 萃取過程。 反膠團(tuán)的溶解模型 (a)水殼模型；(b)插入模型 (c)吸附模型；(d)溶解模型 反膠團(tuán)萃取的優(yōu)點反膠團(tuán)萃取的優(yōu)點 (1)有很高的萃取率和反萃取率并具有選擇性； (2)分離、濃縮可同時進(jìn)行，過程簡便； (3)能解決蛋白質(zhì)(如胞內(nèi)酶)在非細(xì)胞環(huán)境中迅速失 活的問題； (4)由于構(gòu)成反膠團(tuán)的表面活性劑往往具有細(xì)胞破壁功效，因 而可直接從完整細(xì)胞中提取具有活性的蛋白質(zhì)和酶； (5

12、)反膠團(tuán)萃取技術(shù)的成本低，溶劑可反復(fù)使用等。 三.影響反膠團(tuán)萃取因素 （1）水相pH值的影響 表面活性劑的極性頭是朝向反膠團(tuán)的內(nèi)部，使反膠團(tuán)的內(nèi)壁帶有一 定的電荷，而蛋白質(zhì)是一種兩性電解質(zhì)，水相的pH值決定了蛋白質(zhì)分 子表面可電離基團(tuán)的離子化程度，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)所帶電荷與反膠團(tuán)內(nèi)所帶 電荷的性質(zhì)相反時，由于靜電引力，可使蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到反膠團(tuán)中。 相反，當(dāng)水相pH大于等電點時，由于靜電斥力，使溶入反膠團(tuán)的蛋 白質(zhì)反向萃取出來，實現(xiàn)了蛋白質(zhì)的反萃取。 （2）水相離子強(qiáng)度的影響 a：離子強(qiáng)度影響到反膠團(tuán)內(nèi)壁的靜電屏蔽的程度，降低了蛋白 質(zhì)分子和反膠團(tuán)內(nèi)壁的靜電作用力。 b：減小了表面活性劑極性頭之間的相互斥

13、力，使反膠團(tuán)變小。 這兩方面的效應(yīng)都會使蛋白質(zhì)分子的溶解性下降，甚至使已溶 解的蛋白質(zhì)從反膠團(tuán)中反萃取出來。 （3）助表面活性劑的影響 蛋白質(zhì)的分子量往往很大，超過幾萬或幾十萬，使表 面活性劑形成的反膠團(tuán)的大小不足以包容大的蛋白質(zhì)，而 無法實現(xiàn)萃取，此時加入一些非離子表面活性劑，使它們 插入反膠團(tuán)結(jié)構(gòu)中，就可以增大反膠團(tuán)的尺寸，溶解相對 分子質(zhì)量較大的蛋白質(zhì)。 （4）溶劑體系的影響 溶劑的性質(zhì)，尤其是極性，對反膠團(tuán)的形成和大小 都有影響。 常用的溶劑有：烷烴類（正己烷、環(huán)己烷、正辛烷 、異辛烷等）。 有時也使用助溶劑，如醇類?？梢哉{(diào)節(jié)溶劑體系的 極性，改變反膠團(tuán)的大小，增加蛋白質(zhì)的溶解度。 四四 在分離工藝中的應(yīng)用在分離工藝中的應(yīng)用 一、蛋白質(zhì)分離一、蛋白質(zhì)分離 利用圖利用圖8-8和圖和圖8-9的靜電相互作用，通過三步分離的靜電相互作用，通過三步分離 核糖核酸酶核糖核酸酶a、細(xì)胞色素、細(xì)胞色素c和溶菌酶。和溶菌酶。 調(diào)整調(diào)整pH，進(jìn)行正萃取分離，通過控制，進(jìn)行正萃取分離，通過控制KCl濃度，反濃度，反 萃取分離，獲得較好地分離效果和收率。萃取分離，獲得較好地分離效果和收率。 第一步：在pH=9.0和較低的鹽濃度下，核糖